基于亚波长金属条阵列结构的太赫兹多频吸收器

付子亲，庞建鑫，陈 进，王凤超，杨 晶

（上海应用技术大学 理学院, 上海 201418）

太赫兹波（terahertz，THz）是频率为 0.1～10 THz电磁辐射，介于红外和微波波段之间，处于电子学向光子学的过渡阶段，是唯一尚未完全开发利用的频段，称为电磁波谱的“太赫兹空隙”[1]。太赫兹技术的发展除了必要的太赫兹辐射源和探测器外，离不开太赫兹功能器件的支撑。超材料(metamaterial)是一种亚波长周期单元排列构成的，具有独特电磁特性的人工材料[2-3]。人工电磁微结构的兴起为电磁波的操控带来了新机遇，通过单元结构的设计能够实现对电磁波各种物理和空间特性的人工动态调控，这为太赫兹功能器件的发展提供了一种新思路。近年来，随着微纳加工技术的发展，滤波器[4-5]、相位控制器[6]、偏振控制器[7]、传感器[8]、吸收器[9]等太赫兹超材料功能器件的研究取得了巨大的进展。

太赫兹超材料吸收器作为一种典型的功能器件，在通信、信号处理和光谱检测等领域具有巨大的价值[10]。最初由Landy等[11]提出了“完美吸收器”的概念，其单元为典型的类三明治结构。上层是电谐振环(electrical ring resonator，ERR)，中间是介质层，底层是一定宽度的金属片，能够在微波段对特定频带内的电磁波实现近100%完美吸收。随后，Hu等[12]将这种结构应用到太赫兹波段。随着超材料吸收器发展需求，窄带吸收器已不足以满足实际应用需求，多频带[13-14]、宽带[15-16]等功能多样的太赫兹超材料吸收器引起了研究人员的广泛关注。例如，2011年，Ma等[17]提出了基于2个嵌套的电闭环谐振器的双频太赫兹吸收器；2015年，Liu 等[18]使用多层堆叠棒的结构设计了宽带太赫兹吸收器；2021年，Fu等[19]提出一种基于双三叉戟结构的多波段吸波器。

本文基于亚波长金属条阵列结构提出了一种多频带太赫兹吸收器，设计简单的亚波长金属条阵列结构，通过调节阵列参数实现单带、双频带、多频带甚至宽带的吸收效果，为制作多频带或宽带的太赫兹吸收器件提供了有益的参考。

1 结构与设计

亚波长金属条阵列结构太赫兹吸收器的结构示意图如图1所示，该结构采用典型的类“三明治”结构，顶层为金属条阵列单元、中间层为介质层、底层为金属层。顶层金属条阵列与底层金属层采用的材料是金（电导率σ=4.09×107S/m），中间介质层的介电常数为ε=3(1+0.06i)。

图1 超材料太赫兹吸收器结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of the metamaterial terahertz absorber structure

图1 (a)为1个4×4单元阵列，图1(b)为其中1个单元。单元尺寸为px×py，每个单元包括n根长度渐变、间隔相等的金属条，金属条的宽度为w，厚度为t，相邻2个金属条之间的间隔相等为g。单元的重复周期p=px=py=110μm，介质层厚度d1和金属层的厚度d2分别为10 μm和2 μm，金属条的宽度w和厚度t分别为10 μm和0.4 μm，金属条的长度为li(i=1，2,···,n)。

利用CST Microware Studio软件对所设计的亚波长金属条阵列结构进行数值模拟。当入射太赫兹波的偏振方向平行于金属条长轴方向时，被称为TE偏振。模拟得到S参量，则反射率和透射率分别可通过R(ω)=|S11|2、T(ω)=|S21|2计算得到。由于底层金膜层的厚度（2 μm）远大于电磁波的表皮深度，所以透射率T可当作零，则超材料吸收率方程式可简化为：A(ω)=1-R(ω) 。因此，此金属条阵列结构的吸收率只和反射率有关，当反射率接近于零（即阻抗匹配自由空间）时，便可实现完美吸收。

2 仿真结果与讨论

2.1 单金属条结构

图2(a)为当每个金属条阵列结构单元中只有单个金属条(n=1)时的单元结构示意图。图2(b)为其吸收器的吸收谱线。

图2 单金属条超材料单元结构及其吸收光谱Fig. 2 Single metal strip metamaterial unit structure and its absorption spectrum

当金属条长度l=60 μm，在1.40 THz和2.55 THz处存在2个明显的吸收峰，吸收率分别达到了90.0%和96.3%。当金属条长度l=75 μm，在1.15 THz和2.53 THz处存在2个明显的吸收峰，吸收率分别达到了94.1%和96.3%。当金属条长度l=90 μm，在0.97 THz和2.48 THz处存在2个明显的吸收峰，吸收率分别达到了97.3%和98.3%。由图2（b）可见，在0.5～2.6 THz频谱范围内，单金属条阵列太赫兹吸收谱存在2个明显的吸收峰，这2个位置均表现出明显的强吸收效果，达到近完美吸收。金属条的长度l主要影响吸收峰的位置，随着l的增大，谐振频率发生红移，低频吸收峰尤其明显。

在金属条阵列结构中，低频吸收峰是结构的基本谐振，与金属条结构尺寸密切相关，而高频吸收峰来自单元间的谐振。这种强烈的电磁谐振使电磁能力消耗在吸收器中，在谐振频率处，电磁波几乎完全被金属条阵列结构吸收，表现出完美吸收特性[20]。随着金属条长度增大，低频吸收峰位置发生较大程度红移，而此时单元结构周期没有改变，所以高频吸收峰位置几乎没有变化。因此，亚波长金属条阵列结构的尺寸对太赫兹波的吸收特性具有重要的影响，可通过改变金属条的长度以获取不同谐振频率的吸收器。

2.2 啁啾金属条结构

为了进一步分析影响吸收峰的物理因素，研究了金属条阵列结构单元中有多个金属条(n＞1)对吸收峰的影响。多个金属条的长度不等呈啁啾分布，其他结构尺寸均与单金属条(n=1)单元结构一致。图3(a)为n=2的双金属条单元结构阵列，金属条的长度分别取l1=90 μm和l2=60 μm。测得太赫兹波的吸收谱如图3(b)所示。由3(b)可见，在0.5～2.6 THz范围内存在3个明显吸收峰，分别0.97、1.40 和2.51 THz频率处，对应的吸收率各自达到了99.6%、98.6%和93.7%。图3（c）为n=3的3金属条单元结构阵列，金属条的长度分别取l1=90 μm、l2=75 μm和l3=60 μm。测得太赫兹波的吸收谱如图3(d)所示，在0.5～2.6 THz范围内存在4个明显吸收峰，分别在0.94、1.15、1.39和2.49 THz频率处，对应的吸收率各自达到了91.0%、99.6%、93.9%和99.8%。可以看出，随着啁啾金属条结构单元中金属条数量n的增加，吸收器的吸收峰数量也随之增加，显现出多频吸收的效果。

图3 多金属条超材料单元结构和吸收光谱Fig. 3 Multi-metal strips structure and its absorption spectra

实验表明，单金属条阵列结构超材料太赫兹吸收器，具有双频带吸收特性。在单元结构中增加1根金属条，使之变成双金属条阵列超材料太赫兹吸收器，每根金属条各自独立作用，吸收光谱理论上应为4个吸收峰。但仿真结果呈现出3个吸收峰，这是由于相邻2根金属条的高频共振峰相互靠近重合而成了1个较宽的吸收峰，所以双金属条阵列结构超材料太赫兹吸收器的吸收光谱存在3个近完美吸收峰，同理，3金属条阵列结构超材料太赫兹吸收器的吸收光谱呈现出4个近完美吸收峰。

考虑到多个单峰共振频率足够接近时会发生重叠，形成类似宽带的效果。在3金属条单元结构阵列的研究中，还分析了金属条长度接近的情况。图4为3根金属条尺寸分别取l1=90 μm、l2=88 μm和l3=86 μm时的单金属条和3金属条单元结构阵列的吸收光谱。由图4（a）呈现2个吸收峰。与单金属条单元阵列结构相比，此时三金属条结构的2个吸收谱的带宽更宽。三金属条结构在0.96 THz和2.46 THz位置处的吸收峰的半高全宽分别为0.205 THz和0.146 THz。图4(b)所示的单金属条结构中，将单金属条结构中的l依次设为90、88 、86 μm的仿真结果。其中，当l=90 μm时，在0.97 THz和2.48 THz位置处的吸收峰的半高全宽分别为0.089 THz和0.031 THz，可以看出，这3条吸收谱线的吸收峰非常接近。因此，当多金属条长度差异性较小，相邻吸收峰相互靠近并耦合叠加使得组合的多金属条结构吸收器能够实现宽带吸收的效果。在单元结构中组合不同数量和尺寸的金属条，发现了亚金属条阵列结构太赫兹超材料的吸收特性，具体实验数据如表1所示。

图4 金属条超材料吸收器的吸收光谱Fig. 4 Absorption spectra of metal strips metamaterial absorber

表 1 单元结构中不同数量和尺寸的金属条的吸收特性Tab. 1 Absorption characteristic of metal strips with different quantity and size in unit structure

3 结语

提出了一种基于亚波长金属条阵列结构太赫兹多频吸收器。研究发现，单金属条阵列结构超材料太赫兹吸收器在0.5～2.6 THz频率范围内，其吸收光谱呈现出2个近完美吸收峰。通过改变金属条的长度，可以获得不同的谐振频率的双频带吸收器。啁啾金属条结构，通过在单元结构中组合不同数量和尺寸的金属条来调整吸收器的特性，从而实现多频带吸收，当多个单峰共振频率足够接近时发生重叠合成了1个吸收峰，扩展了吸收带宽，实现了一定程度的宽带吸收。通过调谐啁啾超材料单元中金属条结构的尺寸和分布，可以控制吸收器的吸收带，这为太赫兹功能器件的发展提供了参考。